Praktikum_po_fizike_1/№35 изследване на работата на газов лазер

Лабораторна работа No35

ИЗСЛЕДВАНЕ НА РАБОТАТА НА ГАЗЕН ЛАЗЕР

Обективен: запознайте се с устройството и принципа на действие на газовия лазер; определя дивергенцията на лазерния лъч, дължината на вълната на излъчване с помощта на дифракционна решетка; изучават принципа на получаване на холографски изображения.

Устройства и аксесоари: газов лазер LGN-109, дифракционна решетка, измервателна линийка, подвижен екран, оптична пейка от тип FOS-67, комплект холограми.

Оптичните квантови генератори (лазери) се основават на генерирането и усилването на светлината поради стимулирано стимулирано излъчване. Индуцирано излъчване на електромагнитни вълни възниква, ако атом под въздействието на фотон от външно излъчване премине от възбудено състояние в основно състояние, докато излъчва нов фотон. Такова взаимодействие на фотон с възбуден атом може да бъде, ако енергията hν на фотона е равна на разликата между енергийните нива на атома в възбудено и основно състояние. В този случай, след взаимодействието на фотон с атом, два фотона ще се разпространят от атома, т.е. има увеличение на светлината. Полученото стимулирано лъчение има същата честота и фаза като лъчението, което стимулира този процес.

В обикновено състояние в материята има много повече невъзбудени атоми, отколкото възбудени; следователно, когато фотоните взаимодействат с материята, процесът на абсорбция преобладава и не се наблюдава усилване на светлината.

За да може процесът на стимулирана емисия да надделее над абсорбцията, е необходимо да се промени разпределението на атомите на дадено вещество върху енергийните нива. Усилването на светлината ще бъде в случай, че концентрацията на атоми на веществото в горните енергийни нива, съответстващи на възбуденото състояние, е по-голяма, отколкото в долните. Това състояние се нарича обратна популация.

Първите квантови генератори на електромагнитни вълни са разработени от руските учени Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и американския физик Чарлз Таунс.

Генераторите, които излъчват лъчение в диапазона на оптичната дължина на вълната, се наричат лазери.

Нека разгледаме принципа на действие и устройството (фиг. 2) на газов хелий-неонов лазер. Основният му структурен елемент е газоразрядна тръба 1, пълна със смес от газове - хелий и неон. Парциалното налягане на хелия е 1 mm Hg, на неона - 0,1 mm Hg, атомите на неона са 10 пъти по-малко от атомите на хелий. Неоновите атоми излъчват (работят), атомите на хелий са спомагателни, необходими за създаване на обратна популация от неонови атоми. Фигура 1 показва енергийните нива на атомите на хелий и неон.

Когато в тръбата възникне електрически разряд, хелиевите атоми се възбуждат и преминават в състояние 2. Първото възбудено ниво на He (2) съвпада с енергийното ниво на 3 Ne атома, следователно, сблъсквайки се с неонни атоми, хелиевите атоми пренасят своята енергия към тях и ги прехвърля в възбудено състояние 3. По този начин в тръбата се създава активна среда, състояща се от неонови атоми с обратна популация. Спонтанният преход на неоновите атоми от енергийно ниво 3 към ниво 2 причинява излъчването на фотони. При по-нататъшно взаимодействие на тези фотони с възбудени неонови атоми възниква индуцирано кохерентно излъчване и в тръбата се увеличава потока на фотоните. За да се увеличи мощността на излъчване, тръбата се поставя в огледален резонатор, състоящ се от две огледала 5 и 6 (фиг. 2). Отразявайки се от огледалата, потокът от фотони, летящи по оста на тръбата, многократно преминава през нея. В този случай все по-голям брой неонови атоми се включват в процеса на индуцирана радиация и интензивността на генерираното лъчение се увеличава. Повишеният радиационен поток през огледалото 5 излиза. Газовият лазер работи в непрекъснат режим на излъчване. Поради факта, че енергийните нива 2 и 3 на неоновите атоми имат сложна структура, лазерът може да излъчва до 30 различни дължини на вълната в инфрачервения и видимия диапазон. Резонаторните огледала 5 и 6 са направени многослойни, за да се създаде, поради смущения, необходимия коефициент на отражение за една вълна. По този начин лазерът произвежда строго едноцветно излъчване. Така че червен хелий-неонов лазер излъчва дължина на вълната 632,8 nm.

Газоразрядната тръба 1 е затворена в краищата от плоскопаралелни стъклени плочи 4, които са монтирани под ъгъл на Брюстър спрямо оста на тръбата. Това положение води до равнинна поляризация на лазерните лъчи. За да се създаде електрически разряд в тръбата, в нея са монтирани два електрода: анод 2 и катод 3, към които се подава напрежение с високо напрежение (1,5-2 kV).

Индуцираното лазерно лъчение е силно кохерентно, изключително монохроматично, равнинно поляризирано, силно насочено и енергоемко. Използването на лазери се основава на тези свойства. В днешно време лазерите се използват широко в различни области на медицината.

За първи път лазерът се използва в офталмологията за лечение на отлепване на ретината. Лазерните лъчи също се използват за лечение на някои ранни форми на вътреочни тумори. В хирургията лазерният лъч позволява на абсолютно стерилен „лек скалпел“ да дисектира тъканите и да извършва операции почти без кървене, тъй като малки и средни съдове са запоени. Разрушителният ефект на лазерния лъч се използва за лечение на старчески петна, брадавици и тумори.

Високата съгласуваност на лазерното лъчение даде възможност да се приложи принципно нов метод на фотографиране - получаване на триизмерно изображение. В обикновената фотография изображението е двуизмерно. Триизмерното изображение беше наречено холограма, а методът - холография.

З.

Новият метод на фотографиране е следният: пред екрана - фотодетектор 3, има обект 2, осветен от кохерентна светлинна вълна от лазер 1 (фиг. 3). Фигурата показва една от схемите за запис на холограма. Фотодетекторът е екран с фоточувствителен слой, способен (след подходяща обработка) да съхранява изображение на обект за дълго време. Полупрозрачното огледало 4 разделя лазерния лъч, като по този начин образува две вълни, които осветяват обекта, който след отражение от обекта образува обектна вълна 8 и референтна вълна 7, която подобно на обектната вълна пада върху екрана. Схемата включва и 6 отразяващи огледала.

След разработването на фотодетектора се получава „негатив“, който се нарича холограма на обекта. На холограмата се записва интерференционен модел, резултат от добавянето на две кохерентни светлинни вълни: отразена от обекта (обект или сигнална вълна) и спомагателна (референтна вълна). По своята същност холографският метод е интерференционен метод, поради което неговото изпълнение изисква светлинни вълни с висока степен на съгласуваност. Когато холограмата е осветена с кохерентна светлинна вълна, идентична на еталонната (отчитаща вълна), тази вълна се дифрактира от елементите на интерференционния модел, фиксирани върху холограмата. В резултат на такава дифракция образът на обекта, фиксиран върху холограмата, се възстановява (става видим). Така че, получаването на изображения по холографски метод е двустепенен процес. На първия етап холограмата се „отстранява“ от обекта (етап на записване на холограмата), на втория етап наблюдаваното изображение на обекта се възстановява от холограмата (етап на четене на холограмата).

Ако фотодетекторът има фоточувствителна дебелина на слоя, сравнима с разстоянието между съседни интерференционни ресни, се получава обикновена двуизмерна, плоска холограма, но ако дебелината на слоя е много по-голяма от разстоянието между ресните, триизмерен (обемен) се получава холограма. Възможно е да се възстанови изображение от обемна холограма в бяла светлина (слънчева светлина или светлина на обикновена лампа с нажежаема жичка) - самата холограма „избира“ от непрекъснатия спектър дължината на вълната, която може да възстанови изображението, записано на холограмата.

Холограмите се използват в медицината. Така например, на базата на хелий-неонов лазер с използване на оптични влакна, са разработени гастроскопи, които позволяват холографско формиране на обемно изображение на вътрешната кухина на стомаха.

Лазерът (1) е инсталиран на оптичната пейка на определено разстояние от екрана (3) (фиг. 4). Дифракционна решетка (2) е монтирана на опора близо до лазерния изходен прозорец. Дифрактограма може да се наблюдава на екрана (E) (фиг. 5).

Дължината на вълната на лазера се определя по формулата, където d е периодът на решетка, k е редът на максимума, а α е ъгълът. Синусът на ъгъл може да се намери от формулата

, където L е разстоянието между решетките

о и екран; X е разстоянието между максимумите от същия ред. Тогава

. (един)

За да определите разминаването на лазерния лъч, променяйки позицията на екрана, измерете диаметрите D1 и D2 на лазерното петно в две позиции 1 и 2 на екрана и разстоянието L (фиг. 6).

(rad) (2) намери дивергенцията на лъча θ.

Работна поръчка

1. Определяне на дължината на вълната на газовото лазерно лъчение.

Поставете дифракционната решетка върху оптичната пейка, перпендикулярна на лазерната ос.

Получете ясно изображение на дифракционния шаблон на екрана. Уверете се, че на екрана се виждат максимумите от поне 3 порядъка.

Измерете разстоянието L (фиг. 5) между решетката и екрана с линийка.

Измерете разстоянието X (фиг. 5) между максимумите от първи ред.

Използвайки формула (1), определете дължината на вълната λ1 на газовото лазерно лъчение.

Извършете подобни измервания и изчисления за максимумите от втори ред и определете λ2.

Въведете резултатите от измерванията и изчисленията в таблицата.